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郑州华晶金刚石股份有限公司

哈佛科学家用钻石照亮石墨烯中的隐藏电流

关键词 钻石 , 电流|2020-07-27 09:42:29|来源 中国超硬材料网
摘要 这听起来好像是纯粹的巫术:使用钻石来观察看不见的、在精心制作的通道中回旋和流动的动力。但是这些钻石确实是真实的,或者更具体地说是人造钻石的量子缺陷。哈佛大学量子技术中心(QTC)博...

这听起来好像是纯粹的巫术:使用钻石来观察看不见的、在精心制作的通道中回旋和流动的动力。但是这些钻石确实是真实的,或者更具体地说是人造钻石的量子缺陷。
       哈佛大学量子技术中心(QTC)博士后研究员Mark Ku以及其他同事,包括哈佛大学的Amir Yacoby教授和其它六位中国学者,开发出一种使用钻石查看电子的难以捉摸细节的崭新方法。该最新研究结果论文发表在今天的《自然》杂志上。

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       这项新技术为研究人员提供了微观世界中电的复杂运动的地图。该团队通过揭示在石墨烯中流动的异常电流来证明了该技术的潜力,石墨烯是仅一个原子厚的一层碳。石墨烯具有出色的电性能,该技术可以帮助研究人员更好地了解石墨烯和其他材料,并为它们找到新的用途。
       该研究论文描述了其基于金刚石的量子传感器如何在石墨烯中产生电流的图景。他们的研究结果首次揭示了室温石墨烯如何产生电流及其流动的细节。如图所示石墨烯中的电流图片(由红色轮廓标记),显示了使用基于钻石的量子传感器成像的类似流体的流动。灰色部分是金属电触点阻止数据收集的地方。

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       论文的第一作者Ku说,“了解强相互作用的量子系统,就像我们的石墨烯实验中的电流一样,是凝聚态物理的核心课题。” “特别是,电子的集体行为类似于具有摩擦的流体的集体行为,可能为解释高温超导体的某些令人困惑的特性提供关键认知。”
       了解材料内部的电流并非易事。毕竟,一根带电的电线看上去与一根空电线完全一样。但是,载流电线与不携带电力的电线之间存在看不见的区别:移动的电荷始终会产生磁场。如果想查看电流的精细细节,则需要相应地仔细观察磁场,这是一个挑战。

       钻石的粗野

       Ku说:“钻石实际上是以最无聊的方式排列的碳分子,”但是碳分子的有序排列并不总是那么无聊和完美。
       瑕疵可在钻石中形成它们的家,并通过周围有序的结构使其稳定。研究团队专注于称为氮空位的缺陷,该缺陷将相邻的两个碳原子换成氮原子和空位。如图所示显微镜设置,用于通过磁场成像和金刚石中的氮空位来捕获石墨烯中的电流的二维快照。在图像中可见激发的氮空位的绿光。

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       研究人员说:“氮的空位就像冻结在晶格中的原子或离子一样。” “钻石除了方便地固定在原地之外没有太大作用。钻石中的氮空位很像自由空间中的原子,具有量子力学性质,例如能级和自旋,它吸收并发射像单个光子一样发光。”
       氮空位吸收绿光,然后以较低能量的红光发出。发出的红光强度取决于氮空位如何保持能量,该能量对周围的磁场敏感。
       因此,如果研究人员将氮空位放在磁场附近,并在钻石上发出绿光,他们就可以通过分析产生的光来确定磁场。由于电流与磁场之间的关系已被很好地理解,因此它们收集的信息有助于绘制电流的详细图像。
       为了了解石墨烯中的电流,研究人员以两种方式使用了氮空位。
       第一种方法提供最详细的视图。研究人员在一个导电通道上直接运行一个包含单个氮空位的微小钻石。该过程沿电流的细线测量磁场,并揭示电流在大约50纳米的距离上的变化(他们研究的石墨烯通道的宽度大约为1,000至1,500纳米)。但是该方法很耗时,并且使测量保持一致以形成完整的图像具有挑战性。
       他们的第二种方法可以生成特定时刻的电流的完整二维快照,如上图所示。石墨烯完全搁置在含有许多氮空位的金刚石板上。这种互补方法会产生模糊的图像,但允许他们立即查看整个电流。

       不是你想象的普通电流

       研究人员使用这些工具来研究物理条件特别丰富的情况下石墨烯中的电流流动。在适当的条件下,石墨烯的电流不仅可以由电子产生,还可以由等量的带正电荷的表亲,通常称为空穴,因为它们代表缺失的电子所产生。在石墨烯中,两种电荷强烈地相互作用并形成所谓的狄拉克流体。研究人员认为,了解相互作用对狄拉克流体行为的影响,可能揭示出其他具有强相互作用的材料的秘密,例如高温超导体。特别是,研究团队想确定狄拉克流体中的电流是更像水和蜂蜜一样流动、还是更像铜中的电流那样流动。
       在流体中,各个粒子相互作用很多,相互推动和拉动。这些相互作用是造成漩涡涡旋的原因,也是对在流体中流动的物体产生阻力的原因。具有这种相互作用的流体称为粘性流体。像蜂蜜或糖浆这样的粘稠液体会比粘稠的水粘稠得多。
       但是,即使水也足够粘稠,无法在光滑的管道中均匀流动。水越靠近管道边缘,流过管道中心的电流越大,速度就越慢。这种特定类型的不均匀流动称为粘性泊萧流(Poiseuille flow),以Jean Poiseuille的名字命名,他对青蛙中微小血管中血液流动的研究启发了他研究流体如何流过小管的方法。
       相比之下,正常导体中的电子,如计算机和墙壁中的电线中的电子,相互作用不大。它们受导电材料内环境的影响更大,尤其是通常是材料中的杂质。从个体的角度来看,它们的运动更像是香水在空中飘动的动作,而不是水从管道中冲下来。每个电子主要做自己的事情,从一种杂质反弹到另一种杂质,就像香水分子在空气分子之间反弹一样。因此,电流趋于散布并均匀地流动,一直到导体的边缘。
       但是,在某些材料,例如石墨烯中,研究人员意识到电流的行为更像流体。它仅需要正确的强相互作用条件和很少的杂质,就可以看到泊萧流、涡旋和其他流体行为的电当量。Ku说:“在这个最佳位置上没有很多材料。” “石墨烯就是这样一种材料。当将大多数其他导体置于非常低的温度下以减少电子与杂质的相互作用时,要么超导起作用,要么电子之间的相互作用不够强。”

       绘制石墨烯电流图

       尽管先前的研究表明电子可以在石墨烯中粘性流动,但对于狄拉克流体却无法做到这一点,在狄拉克流体中必须考虑电子与空穴之间的相互作用。以前,研究人员无法获得狄拉克流体流的图像来确认细节,例如它是否是泊萧流。但是由该研究团队介绍的两种新方法产生的图像显示,狄拉克流体流向石墨烯的边缘减小,就像管道中的水一样。他们还观察到了室温下的粘性行为。以前的实验证据表明,石墨烯中的粘性电流仅限于较低的温度。
       研究小组认为这项技术将有很多用途。除了提供对与狄拉克流体有关的物理学(如高温超导体)的洞察力之外,该技术还可以揭示其他材料中的奇异电流,并为诸如量子自旋霍尔效应和拓扑超导现象提供新的见解。随着研究人员更好地了解材料的新电子行为,他们也许还能够开发其他实际应用,例如新型微电子。

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